JP2014230340A - Control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2つの制御の切り替え制御方法に関する。 The present invention relates to a switching control method for two controls.
スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御として様々なものがある。例えば、ピーク電流制御は、今回の制御周期の出力電流から次回の制御周期の目標の出力電流(目標電流)までの出力電流の変化を用いて、スイッチング素子の制御信号のデューティ比を調整することにより、次回の制御周期の出力電流を制御するものであり、ロバスト性を高めることができる。 There are various types of control of an insulation type DC-DC converter including a switching element. For example, in the peak current control, the duty ratio of the control signal of the switching element is adjusted by using the change in the output current from the output current of the current control cycle to the target output current (target current) of the next control cycle. Thus, the output current of the next control cycle is controlled, and the robustness can be improved.
しかしながら、ピーク電流制御では、目標電流が小さくなり出力電流がゼロになる期間を含んで変動する不連続モードになると、出力電流の変化を正しく求めることができなくなり応答性が低くなるため、出力電流を目標電流に追従させることが困難になってしまう。 However, in the peak current control, if the discontinuous mode that fluctuates including the period when the target current becomes small and the output current becomes zero, the change in the output current cannot be obtained correctly and the responsiveness becomes low. Becomes difficult to follow the target current.
また、スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御としてPI制御がある。PI制御は、出力電流と目標電流との差分がゼロになるように、比例制御と積分制御を行うことにより、出力電流を制御するものであり、不連続モードになっても出力電流を目標電流に追従させることができる。 In addition, there is PI control as control of an insulation type DC-DC converter including a switching element. In PI control, the output current is controlled by performing proportional control and integral control so that the difference between the output current and the target current becomes zero, and the output current is changed to the target current even in the discontinuous mode. Can be followed.
しかしながら、PI制御は、ロバスト性が低いため、負荷や入力電力の変動の影響により出力電流のリプルが大きくなるおそれがある。
そこで、通常はロバスト性が高いピーク電流制御を行い、目標電流が小さくなったときに応答性が高いPI制御に切り替え、目標電流が元の大きさに戻ったときにPI制御からピーク電流制御に切り替えることが考えられる。
However, since PI control is low in robustness, the output current ripple may increase due to the influence of fluctuations in the load and input power.
Therefore, normally, peak current control with high robustness is performed, switching to PI control with high responsiveness when the target current becomes small, and switching from PI control to peak current control when the target current returns to the original size. It is possible to switch.
しかしながら、ピーク電流制御では出力電流が目標電流に一定の誤差をもって追従し、PI制御では出力電流が目標電流に一致して追従するため、ピーク電流制御がPI制御に切り替わる際やPI制御がピーク電流制御に切り替わる際、出力電流が変動してしまう。 However, in the peak current control, the output current follows the target current with a certain error, and in the PI control, the output current follows the target current so that the peak current control is switched to the PI control. When switching to control, the output current fluctuates.
なお、スイッチング素子を備え、昇圧リアクトルに流れる電流の電流モードを連続モード、臨界モード及び不連続モードの何れかに切換る制御の関連技術として、例えば、特許文献1に記載される技術もある。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-133867 discloses a technique related to control that includes a switching element and switches the current mode of the current flowing through the boost reactor to any one of a continuous mode, a critical mode, and a discontinuous mode.
本発明では、スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御として、ピーク電流制御からPI制御に切り替える際に出力電流が変動することを抑える、または、PI制御からピーク電流制御に切り替える際に出力電流が変動することを抑えることが可能な技術を提供することを目的とする。 In the present invention, as control of an insulation type DC-DC converter including a switching element, the output current is suppressed from changing when switching from peak current control to PI control, or output when switching from PI control to peak current control. It is an object of the present invention to provide a technique capable of suppressing fluctuations in current.
本実施形態の制御方法は、スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御方法であって、前記絶縁型DC−DCコンバータの出力電流と目標電流との差分がゼロになるように、比例制御と積分制御を行うことにより、前記出力電流を制御するPI制御から、今回の制御周期の前記出力電流から次回の制御周期の目標電流までの前記出力電流の変化を用いて、前記スイッチング素子の制御信号のデューティ比を調整することにより、次回の制御周期の前記出力電流を制御するピーク電流制御に切り替える際、前記PI制御で求められた前記制御信号のデューティ比と前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比との差分を、前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比に加算し、その加算後のデューティ比の制御信号により、前記スイッチング素子を制御する、または、前記ピーク電流制御から前記PI制御に切り替える際、PI制御で設定される今回の制御周期の目標電流を、前記ピーク電流制御で制御された前回の制御周期の出力電流に置き換え、その置き換え後の目標電流を用いて、前記スイッチング素子を制御する。 The control method of the present embodiment is a control method for an isolated DC-DC converter including a switching element, and proportional control is performed so that a difference between an output current of the isolated DC-DC converter and a target current becomes zero. By controlling the switching element using the change in the output current from the PI control for controlling the output current to the target current for the next control cycle from the PI control for controlling the output current. When switching to peak current control for controlling the output current in the next control cycle by adjusting the duty ratio of the signal, the duty ratio of the control signal determined by the PI control and the peak current control The difference from the duty ratio of the control signal is added to the duty ratio of the control signal obtained by the peak current control, and after the addition When controlling the switching element or switching from the peak current control to the PI control by a control signal of a duty ratio, the target current of the current control cycle set by the PI control is controlled by the peak current control. The switching element is controlled by using the output current of the previous control cycle and using the target current after the replacement.
これにより、第1の制御から第2の制御に切り替える際に、制御結果の変動を抑えることができる。そのため、スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御としてピーク電流制御からPI制御に切り替える際やPI制御からピーク電流制御に切り替える際に出力電流が変動することを抑えることができる。 Thereby, when switching from 1st control to 2nd control, the fluctuation | variation of a control result can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress fluctuations in the output current when switching from peak current control to PI control or switching from PI control to peak current control as control of an insulated DC-DC converter including a switching element.
本発明によれば、スイッチング素子を備える絶縁型DC−DCコンバータの制御としてピーク電流制御からPI制御に切り替える際やPI制御からピーク電流制御に切り替える際に出力電流が変動することを抑えることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when switching from peak current control to PI control as control of an insulation type DC-DC converter provided with a switching element, or when switching from PI control to peak current control, it can suppress that an output current fluctuates. .
図1は、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータを示す図である。
図1に示す絶縁型DC−DCコンバータ1は、例えば、車載バッテリを充電するための充電器であって、外部から入力される目標電流に応じた出力電流を車載バッテリに供給する。また、絶縁型DC−DCコンバータ1は、コンデンサ2と、スイッチング素子3〜6と、トランス7と、整流回路8と、平滑回路9と、制御回路10と、電圧検出部11、12と、電流検出部13とを備える。なお、スイッチング素子3〜6は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に限らず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やバイポーラトランジスタなどでもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating an isolated DC-DC converter according to the present embodiment.
An insulated DC-DC converter 1 shown in FIG. 1 is, for example, a charger for charging an in-vehicle battery, and supplies an output current corresponding to a target current input from the outside to the in-vehicle battery. The insulated DC-DC converter 1 includes a capacitor 2, switching
整流回路8は、ダイオード14〜17を備える。なお、整流回路8の回路構成は特に限定されない。
平滑回路9は、インダクタ18と、コンデンサ19とを備える。
The
The
コンデンサ2は、絶縁型DC−DCコンバータ1の入力段に設けられている。スイッチング素子3、4は互いに直列接続されるとともにコンデンサ2に並列接続されている。スイッチング素子5、6は互いに直列接続されるとともにスイッチング素子3、4に並列接続されている。トランス7の1次コイルの一方端はスイッチング素子5、6の接続点に接続され、トランス7の1次コイルの他方端はスイッチング素子3、4の接続点に接続されている。コンデンサ2及びスイッチング素子4、6は、絶縁型DC−DCコンバータ1の1次側グランドに接続されている。ダイオード14のカソード端子はインダクタ18の一方端及びダイオード16のカソード端子に接続され、ダイオード14のアノード端子はトランス7の2次コイルの一方端及びダイオード15のカソード端子に接続されている。ダイオード16のアノード端子はトランス7の2次コイルの他方端及びダイオード17のカソード端子に接続されている。ダイオード15、17のアノード端子はそれぞれ絶縁型DC−DCコンバータ1の2次側グランドに接続されている。コンデンサ19は絶縁型DC−DCコンバータ1の出力段に設けられている。インダクタ18の他方端はコンデンサ19の一方端に接続されている。コンデンサ19の他方端は絶縁型DC−DCコンバータ1の2次側グランドに接続されている。
The capacitor 2 is provided at the input stage of the isolated DC-DC converter 1. The
制御信号S1〜S4によってスイッチング素子3、6とスイッチング素子4、5とが交互にオン、オフすることにより、入力電力が交流電力に変換されてトランス7の1次コイルから2次コイルに伝わる。そして、2次コイルに伝わった交流電力は整流回路8により整流された後、平滑回路9により平滑されて出力される。
The
電圧検出部11はトランス7の2次コイル側へ入力される電圧(インダクタ18にかかる電圧)Vinを検出し、電圧検出部12は絶縁型DC−DCコンバータ1の出力電圧Voutを検出する。なお、電圧検出部11、12は、例えば、電圧計とする。
The voltage detection unit 11 detects a voltage (voltage applied to the inductor 18) Vin input to the secondary coil side of the
電流検出部13は、絶縁型DC−DCコンバータ1の出力電流(インダクタ18に流れる電流)ILを検出する。なお、電流検出部13は、例えば、電流計とする。
制御回路10は、入力電圧Vin、出力電圧Vout、及び出力電流ILを用いて、ピーク電流制御(PCMC:peak current mode control)やPI(P:Proportional、I:Integral)制御を行う。また、制御回路10は、ピーク電流制御やPI制御を行うことによって制御信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を調整し出力電流ILを制御する。例えば、制御回路10は、ピーク電流制御時、D1=1/Vin{L×(Itgt−IL)/m×T+2×Vout}−D0を計算することにより、次回の制御周期における制御信号S1〜S4のデューティ比D1を求める。なお、Lはインダクタ18のインダクタンス値を示し、Itgtは次回の制御周期の目標電流を示し、mは制御周期を示し、Tはスイッチング周期を示し、D0は今回の制御周期における制御信号S1〜S4のデューティ比を示している。また、例えば、制御回路10は、PI制御時、D1=Kp×ΔIL+Ki×ΣΔILを計算することにより、次回の制御周期における制御信号S1〜S4のデューティ比D1を求める。なお、ΔILは今回の制御周期の目標電流Itgtと出力電流ILとの差分を示し、Kpは比例制御項の係数を示し、Kiは積分制御項の係数を示している。また、制御回路10は、例えば、目標電流Itgtが大きく出力電流ILがゼロよりも大きい値で変動する連続モードのときにピーク電流制御を行い、目標電流Itgtが小さく出力電流ILがゼロになる期間を含んで変動する不連続モードのときにPI制御を行う。また、制御回路10は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、マルチコアCPU、プログラマブルなデバイス(FPGA(Field Programmable Gate Array)、PLD(Programmable Logic Device)などに構成され、不図示の記憶部に記憶されているプログラムをCPU、プログラマブルなデバイス、又はPLDなどが読み出して実行することにより、制御回路10の動作が実現される。
The
The
図2は、制御回路10の動作を示すフローチャートである。
まず、制御回路10は、充電開始の指示が入力されると(S11:Yes)、PI制御を行うか否かを判断する(S12)。例えば、制御回路10は、出力電流ILが閾値以下である場合、PI制御を行うと判断し、出力電流が閾値よりも大きい場合、ピーク電流制御を行うと判断する。
FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the
First, when an instruction to start charging is input (S11: Yes), the
次に、制御回路10は、PI制御を行うと判断すると(S12:Yes)、充電終了の指示が入力されるか(S14:Yes)、又は、ピーク電流制御に切り替えると判断するまで(S15:Yes)、PI制御を継続して行う(S13〜S15)。例えば、制御回路10は、出力電流ILが閾値よりも大きい場合、PI制御からピーク電流制御に切り替えると判断する。
Next, when the
次に、制御回路10は、ピーク電流制御に切り替えると判断すると(S15:Yes)、PI制御で求められた今回の制御周期のデューティ比D0(現在の操作量)とピーク電流制御で求められる次回の制御周期のデューティ比D1(次回の操作量)との差分を求め、その差分をピーク電流制御で求められる次回の制御周期のデューティ比D1に加算して(S16)、ピーク電流制御を行う(S17)。ピーク電流制御では出力電流ILが目標電流Itgtと一定の誤差をもって追従するように、制御信号S1〜S4のデューティ比D1が制御される。そのため、図3(a)に示すように、目標電流Itgtが徐々に大きくなる場合において、単に、PI制御からピーク電流制御に切り替えると、PI制御によって目標電流Itgtに一致して追従していた出力電流ILがピーク電流制御によって一定の誤差分急激に下がり、出力電流ILが変動してしまう。そこで、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータ1では、PI制御で求められた今回の制御周期のデューティ比D0とピーク電流制御で求められる次回の制御周期のデューティ比D1との差分を求め、その差分をピーク電流制御で求められる次回の制御周期のデューティ比D1に加算することによって、制御切り替え時にデューティ比が小さくなる分、それ以降のピーク電流制御においてデューティ比に下駄を履かせている。これにより、図3(b)に示すように、PI制御からピーク電流制御への切り替え時に、出力電流ILが急激に下がらず、出力電流ILの変動を抑えることができる。
Next, when the
次に、制御回路10は、充電終了の指示が入力されるか(S18:Yes)、又は、PI制御に切り替えると判断するまで(S19:Yes)、ピーク電流制御を継続して行う(S16〜S19)。なお、最初に、PI制御からピーク電流制御に切り替えた際に求めたデューティ比D0とデューティ比D1との差分は、それ以降のPI制御からピーク電流制御への切り替え時に使用してもよい。また、ピーク電流制御が継続して行われる場合、デューティ比D0とデューティ比D1との差分を一定値ずつ小さくすることにより、目標電流Itgtによって得られる本来の出力電流IL(図3(b)に示す点線)に徐々に近づけるようにしてもよい。
Next, the
また、制御回路10は、充電開始の指示の入力後(S12)、ピーク電流制御を行うと判断すると(S12:No)、充電終了の指示が入力されるか(S21:Yes)、又は、PI制御に切り替えると判断するまで(S22:Yes)、ピーク電流制御を継続して行う(S20〜S22)。例えば、制御回路10は、出力電流ILが閾値以下である場合、ピーク電流制御からPI制御に切り替えると判断する。
If the
次に、制御回路10は、PI制御に切り替えると判断すると(S22:Yes)、PI制御で設定される今回の制御周期の目標電流Itgtを、ピーク電流制御で制御された前回の制御周期の出力電流ILに置き換えて(S23)、PI制御を行う(S24)。上述したように、ピーク電流制御では出力電流ILが目標電流Itgtと一定の誤差をもって追従するように、制御信号S1〜S4のデューティ比D1が制御される。そのため、図4(a)に示すように、目標電流Itgtが徐々に小さくなる場合において、単に、ピーク電流制御からPI制御に切り替えると、ピーク電流制御によって目標電流Itgtに一定の誤差をもって追従していた出力電流ILがPI制御によって目標電流Itgtと急に一致するようになるため、出力電流ILが急激に上がり、出力電流ILが変動してしまう。そこで、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータ1では、PI制御で設定される今回の制御周期の目標電流Itgtを、ピーク電流制御で制御された前回の制御周期の出力電流ILに置き換えている。これにより、図4(b)に示すように、ピーク電流制御からPI制御への切り替え時に、出力電流ILが急激に上がらず出力電流ILの変動を抑えることができる。
Next, when the
次に、制御回路10は、充電終了の指示が入力されるか(S25:Yes)、又はピーク電流制御に切り替えると判断するまで(S26:Yes)、PI制御を継続して行う(S24〜S26)。
Next, the
また、制御回路10は、PI制御に切り替えると判断すると(S19:Yes)、S23〜S26を実行する。
また、制御回路10は、ピーク電流制御に切り替えると判断すると(S26:Yes)、S16〜S19を実行する。
If the
If the
このように、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータ1は、PI制御からピーク電流制御に切り替える際やピーク電流制御からPI制御に切り替える際、出力電流ILの変動を抑えることができる。すなわち、第1の制御から第2の制御に切り替える際に、制御結果の変動を抑えることができる。 As described above, the insulated DC-DC converter 1 according to the present embodiment can suppress fluctuations in the output current IL when switching from PI control to peak current control or switching from peak current control to PI control. That is, when switching from the first control to the second control, fluctuations in the control result can be suppressed.
また、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータ1は、出力電流ILの変動を抑えることができるため、車載バッテリの充電器として機能させる場合、バッテリ側に設けられる電流センサの値を安定させることができる。 Moreover, since the insulation type DC-DC converter 1 of this embodiment can suppress the fluctuation | variation of output current IL, when making it function as a charger of a vehicle-mounted battery, it stabilizes the value of the current sensor provided in the battery side. Can do.
また、本実施形態の絶縁型DC−DCコンバータ1は、出力電流ILの変動を抑えることができるため、インダクタンス値Lが小さいインダクタ18を採用することができ、小型化することができる。
Moreover, since the insulation type DC-DC converter 1 of this embodiment can suppress the fluctuation | variation of output current IL, the
なお、上記実施形態では、連続モードのときにピーク電流制御を行い、不連続モードのときにPI制御を行う構成であるが、出力電流ILがゼロを最小値として変動する臨界モードのときにピーク電流制御又はPI制御を行うように構成してもよい。 In the above embodiment, the peak current control is performed in the continuous mode and the PI control is performed in the discontinuous mode. However, the peak current control is performed in the critical mode where the output current IL varies with zero as the minimum value. You may comprise so that electric current control or PI control may be performed.
1 絶縁型DC−DCコンバータ
2 コンデンサ
3〜6 スイッチング素子
7 トランス
8 整流回路
9 平滑回路
10 制御回路
11、12 電圧検出部
13 電流検出部
14〜17 ダイオード
18 インダクタ
19 コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulation type DC-DC converter 2 Capacitors 3-6
Claims (2)
前記絶縁型DC−DCコンバータの出力電流と目標電流との差分がゼロになるように、比例制御と積分制御を行うことにより、前記出力電流を制御するPI制御から、今回の制御周期の前記出力電流から次回の制御周期の目標電流までの前記出力電流の変化を用いて、前記スイッチング素子の制御信号のデューティ比を調整することにより、次回の制御周期の前記出力電流を制御するピーク電流制御に切り替える際、前記PI制御で求められた前記制御信号のデューティ比と前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比との差分を、前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比に加算し、その加算後のデューティ比の制御信号により、前記スイッチング素子を制御する、
または、
前記ピーク電流制御から前記PI制御に切り替える際、PI制御で設定される今回の制御周期の目標電流を、前記ピーク電流制御で制御された前回の制御周期の出力電流に置き換え、その置き換え後の目標電流を用いて、前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする制御方法。 In a control method of an isolated DC-DC converter including a switching element,
By performing proportional control and integral control so that the difference between the output current of the insulated DC-DC converter and the target current becomes zero, the output of the current control cycle is changed from the PI control that controls the output current. By adjusting the duty ratio of the control signal of the switching element using the change in the output current from the current to the target current of the next control cycle, peak current control for controlling the output current of the next control cycle is performed. When switching, the difference between the duty ratio of the control signal obtained by the PI control and the duty ratio of the control signal obtained by the peak current control is added to the duty ratio of the control signal obtained by the peak current control. And the switching element is controlled by the duty ratio control signal after the addition,
Or
When switching from the peak current control to the PI control, the target current of the current control cycle set by the PI control is replaced with the output current of the previous control cycle controlled by the peak current control, and the target after the replacement A control method comprising controlling the switching element by using an electric current.
前記フルブリッジ回路により変換された交流電力を1次コイルから2次コイルに伝えるトランスと、
前記トランスの2次コイルに伝わった交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された電力を平滑する平滑回路と、
前記平滑回路から出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部から出力される電流を用いて、前記複数のスイッチング素子のオン、オフを制御する制御信号を出力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記平滑回路の出力電流と目標電流との差分がゼロになるように、比例御と積分制御を行うことにより、前記出力電流を制御するPI制御から、今回の制御周期の前記出力電流から次回の制御周期の目標電流までの前記出力電流の変化を用いて、前記制御信号のデューティ比を調整することにより、次回の制御周期の前記出力電流を制御するピーク電流制御に切り替える際、前記PI制御で求められた前記制御信号のデューティ比と前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比との差分を、前記ピーク電流制御で求められる前記制御信号のデューティ比に加算する、
または、
前記ピーク電流制御から前記PI制御に切り替える際、前記PI制御で設定される今回の制御周期の目標電流を、前記ピーク電流制御で制御された前回の制御周期の出力電流に置き換える
ことを特徴とする絶縁型DC−DCコンバータ。
A full bridge circuit that includes a plurality of switching elements, and converts the input DC power to AC power by turning on and off the switching elements, and
A transformer for transmitting AC power converted by the full bridge circuit from the primary coil to the secondary coil;
A rectifier circuit for rectifying AC power transmitted to the secondary coil of the transformer;
A smoothing circuit for smoothing the power rectified by the rectifier circuit;
A current detection unit for detecting a current output from the smoothing circuit;
A control circuit that outputs a control signal for controlling on and off of the plurality of switching elements, using a current output from the current detection unit;
With
The control circuit performs proportional control and integral control so that the difference between the output current of the smoothing circuit and the target current becomes zero, thereby performing PI control for controlling the output current from the PI control for the current control cycle. When switching to peak current control for controlling the output current in the next control cycle by adjusting the duty ratio of the control signal using the change in the output current from the output current to the target current in the next control cycle Adding the difference between the duty ratio of the control signal obtained by the PI control and the duty ratio of the control signal obtained by the peak current control to the duty ratio of the control signal obtained by the peak current control;
Or
When switching from the peak current control to the PI control, the target current of the current control cycle set by the PI control is replaced with the output current of the previous control cycle controlled by the peak current control. Isolated DC-DC converter.
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